完整的工業(yè)自動(dòng)化PLC

解決方案

可編程邏輯控制器（PLC）是工業(yè)自動(dòng)化中的核心設(shè)備之一，是讓工廠能夠以自動(dòng)化方式運(yùn)行的關(guān)鍵應(yīng)用。PLC通常是由多個(gè)模塊組成的模塊化系統(tǒng)，專門用來(lái)進(jìn)行邏輯控制、順序控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制等操作。本文將為您介紹PLC在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用，以及由ST（意法半導(dǎo)體）專為PLC應(yīng)用推出的相關(guān)解決方案。

通過邏輯控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行

PLC被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)中，以控制單元（通常稱為中央處理單元，CPU）和多個(gè)輸入／輸出或其他功能模塊（擴(kuò)展模塊）為例，控制單元通過專用總線（通常是名為底板接口的客戶特定總線）與擴(kuò)展模塊通信。控制單元按周期運(yùn)行，并與擴(kuò)展模塊定期交換數(shù)據(jù)。輸入／輸出模塊與工廠處理側(cè)建立接口／連接，在一側(cè)提供由傳感器檢測(cè)到的各種物理變量的信息，并通過在另一側(cè)驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行器，允許與自動(dòng)化流程交互。每個(gè)模塊均需要集成到完整的自動(dòng)化系統(tǒng)中，從而為各種現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)提供連接功能。

PLC在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主要功能包括通過邏輯控制，來(lái)根據(jù)預(yù)先編寫的邏輯程序來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行，例如根據(jù)傳感器輸入決定啟動(dòng)或停止機(jī)器。在順序控制方面，在自動(dòng)化生產(chǎn)在線，PLC可按一定的順序執(zhí)行操作，確保各工序按時(shí)完成。

此外，PLC內(nèi)部的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能可以用來(lái)進(jìn)行精確的時(shí)間控制和物料計(jì)數(shù)，現(xiàn)代PLC還具備模擬量輸入輸出功能，可以處理如溫度、壓力等模擬信號(hào)。PLC還可以通過各種通信協(xié)議與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，并能夠檢測(cè)并診斷系統(tǒng)故障，并在可能的情況下自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

PLC可控制各類自動(dòng)化設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作

PLC廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中，控制各類設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作，提高生產(chǎn)效率。在化工、食品飲料等行業(yè)中，PLC可用于控制生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)，如溫度、壓力、液位等。此外，PLC可用于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行控制，如數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械等，確保其精確運(yùn)行。

PLC還可應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化中，控制空調(diào)、照明、安全系統(tǒng)等。在水處理和污水處理系統(tǒng)中，PLC可用于控制水泵、閥門和其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。在能源管理系統(tǒng)中，PLC可用來(lái)監(jiān)控和控制能源的分配和消耗，達(dá)到節(jié)能效果。PLC的靈活性和可靠性使其成為工業(yè)自動(dòng)化中不可或缺的組件，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的控制需求。

在現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中，有線通信技術(shù)廣泛用于工業(yè) 4.0 和工業(yè) IoT 應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)在不斷發(fā)展，并在從傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展為基于以太網(wǎng)的總線，以便連接人機(jī)界面（HMI）、可編程邏輯控制器、機(jī)器、I/O、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器和傳感器。

人機(jī)界面可幫助我們有效控制設(shè)備以及根據(jù)機(jī)器反饋制定決策，該界面可以是直接裝配在機(jī)器上并用于工廠自動(dòng)化的簡(jiǎn)單顯示屏，也可以是用于控制整條生產(chǎn)線的多點(diǎn)觸控顯示面板。此外，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，PLC可將IO-Link通信網(wǎng)絡(luò)（IEC 61131-9）用于雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)連接（一直到致動(dòng)器和傳感器級(jí)別），支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理、傳感器參數(shù)調(diào)整和高級(jí)診斷。

在數(shù)字I/O模塊應(yīng)用方面，輸入／輸出（I/O）模塊從輸入設(shè)備（包括接近、壓力、溫度傳感器和按鈕）收集數(shù)據(jù)，并控制致動(dòng)器，如閥門、繼電器和燈具（輸出設(shè)備）。這些模塊可以添加到PLC控制柜中，也可以集成到工廠的制造設(shè)備中。

在 PLC 中，PLC 控制單元是處理來(lái)自輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)并控制輸出的主要構(gòu)建單元，它可以與 I/O模塊集成，以提供所需的功能。PLC 控制單元還支持連接到各種現(xiàn)場(chǎng)總線（包括 PROFIBUS、Modbus 和 CAN open）、工業(yè)以太網(wǎng)（如Profinet、EtherCAT）、無(wú)線技術(shù)，以及連接到系統(tǒng)的背板總線。

具有高性價(jià)比與高能效

處理能力的微處理器

ST針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，推出了基于STM32MP135的PLC解決方案，STM32MP135是一款高性能微處理器（MPU），具有32位Arm Cortex-A7@1GHz、2個(gè)以太網(wǎng)、2個(gè)CAN-FD等，以及用于數(shù)字輸出的8通道隔離高側(cè)智能電源開關(guān)（IPS）與4通道隔離低側(cè)IPS，以及12路隔離數(shù)字輸入。通過使用基于ThreadX RTOS的LogicLAB PLC運(yùn)行時(shí)，PLC參考解決方案可面向高性能應(yīng)用和市場(chǎng)。該參考平臺(tái)提供了流行的工業(yè)領(lǐng)域總線，如1個(gè)EtherCAT主站端口、1個(gè)以太網(wǎng)端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口與USB、MicroSD卡接口等。

STM32MP135微處理器產(chǎn)品系列還具有一個(gè)專用的LCD-TFT并行顯示接口，一個(gè)16位并行攝像頭接口和雙以太網(wǎng)端口，具有高性價(jià)比，具備高能效處理能力，而且其安全性已通過認(rèn)證。STM32MP135系列具有高級(jí)安全加密特性，包括加密加速器，可提升硬件可靠性，以及內(nèi)存保護(hù)，可防止非法訪問控制，此外還支持代碼隔離機(jī)制，可提供運(yùn)行時(shí)保護(hù)，擁有多種功能可確保在產(chǎn)品生命周期內(nèi)平臺(tái)通過驗(yàn)證，具有完整的安全生態(tài)系統(tǒng)。

STM32MP135 MPU專門面向入門級(jí)Linux、裸機(jī)或RTOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并已預(yù)先集成Microsoft Azure RTOS。STM32MP135系列提供3種不同的封裝，支持實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比PCB架構(gòu)。STM32MP1系列是一種面向多重市場(chǎng)的通用型微處理器，適用于各種工業(yè)應(yīng)用，包括工業(yè)和工廠自動(dòng)化、計(jì)量、智能家居、銷售終端、醫(yī)療保健、電動(dòng)汽車充電器等。

針對(duì)PLC應(yīng)用，由軟件合作伙伴 ―― 上海翌控基于LogicLAB Runtime量身定制的STM32MP135 PLC 參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，是一款為客戶提供開放式、高實(shí)時(shí)，高性能的解決方案。STM32MP135 PLC 參考設(shè)計(jì)平臺(tái)支持 IEC61131-3 五種編程語(yǔ)言，包括梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL），另外還有多個(gè) PLC 存儲(chǔ)器，包括 16MB 程序區(qū)、32MB 數(shù)據(jù)區(qū)、128KB 掉電保持區(qū)，其 PLC 基礎(chǔ)指令執(zhí)行性能僅需 4ns，PLC 高速IO中斷響應(yīng)能力小于 1μs，PLC 中斷任務(wù)響應(yīng)能力小于10μs，EtherCAT 主站推薦最小周期（開啟 DC）為 250μs（小于 8 從站）、500μs（小于 16 從站）、1ms（小于 32 從站），運(yùn)動(dòng)控制最大軸數(shù)為 32 軸（含脈沖軸與虛擬軸），支持 IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)與功能塊庫(kù)、高性能PID庫(kù)、總線通訊庫(kù)、PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)、MQTT 客戶端庫(kù)、JSON 格式庫(kù)、COM 串口自由協(xié)議庫(kù)、TCPUDP 自由協(xié)議庫(kù)、CAN 自由協(xié)議庫(kù)、文件系統(tǒng)庫(kù)等功能指令庫(kù)。

STM32MP1系列MPU還可搭配STPMIC1這顆專用電源管理IC（PMIC）和電池供電應(yīng)用的配套芯片。STPMIC1可用于微型處理器單元的高度集成電源管理集成電路，是一款完全集成的電源管理IC，專門面向基于高度集成的應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品，可滿足其低功耗和高效率需求。該器件集成了先進(jìn)的低功耗特性，可由主機(jī)處理器通過I2C和IO接口進(jìn)行控制。

STPMIC1 穩(wěn)壓器旨在為應(yīng)用處理器以及外部系統(tǒng)外設(shè)（如：DDR、閃存和其他系統(tǒng)器件）供電。升壓轉(zhuǎn)換器最多可為 3 個(gè) USB 端口供電（兩個(gè) 500 mA主機(jī) USB 和一個(gè) 100 mA USB OTG）。該轉(zhuǎn)換器采用先進(jìn)的旁路架構(gòu)，可從電池以及低成本消費(fèi)類 5 V AC-DC 適配器平穩(wěn)調(diào)節(jié)USB端口的 VBUS。

STPMIC1 的 4 個(gè)降壓 SMPS 已經(jīng)過優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)從 PFM 到 PWM 平穩(wěn)過渡的低功率模式，以及具有集成 PLL 的先進(jìn) PWM 同步技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性能（EMI 性能），從而在更寬松的操作條件下實(shí)現(xiàn)出色的瞬態(tài)響應(yīng)和輸出電壓精度，以及高全量程效率（η高達(dá)90%）。

具有NPU加速器的高性能微處理器

此外，ST 還有一款基于 STM32MP257 的 PLC 解決方案，這是一款最新的高性能MPU，具有雙64位Arm Cortex-A35@1.5GHz、32位Cortex-M33@400MHz、3x以太網(wǎng)（2+1開關(guān)）、3xFD-CAN等，具有用于數(shù)字輸出的8通道隔離高側(cè)IPS與4通道隔離低側(cè)IPS，以及12路隔離數(shù)字輸入。通過使用基于主流CodeSys PLC運(yùn)行時(shí)在Linux操作系統(tǒng)上，PLC參考解決方案針對(duì)中高性能應(yīng)用和市場(chǎng)。該參考平臺(tái)提供了流行的工業(yè)領(lǐng)域總線，如1個(gè)EtherCAT主站端口、2個(gè)以太網(wǎng)端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口與USB、microSD卡接口等。

STM32MP257應(yīng)用處理器共擁有3個(gè)以太網(wǎng)端口、3個(gè)FD-CAN接口、H.264編解碼器、3D GPU、AI/NN功能、LVDS/DSI顯示接口以及安全功能。STM32MP257還提供專用評(píng)估板STM32MP257F-EV1，可幫助客戶順利開始設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品具有NPU加速器并能靈活地在CPU、GPU或NPU上運(yùn)行AI應(yīng)用，可提供出色的邊緣AI能力。此外，本產(chǎn)品還通過其多媒體功能支持機(jī)器視覺等高端邊緣計(jì)算應(yīng)用，這一切都得益于ST全面的邊緣AI生態(tài)系統(tǒng)。

STM32MP2系列這款通用微處理器用途廣泛，可滿足不同細(xì)分市場(chǎng)和工業(yè)應(yīng)用的需求，包括電動(dòng)汽車充電器、工業(yè)和工廠自動(dòng)化、智能家居與計(jì)量等應(yīng)用市場(chǎng)。

STM32MP2系列具有更高的安全性，這些獲得認(rèn)證的高級(jí)安全功能，支持實(shí)現(xiàn)IoT和工業(yè)應(yīng)用的安全功能（目標(biāo)通過SESIP3認(rèn)證，基于Cortex-A和Cortex-M的TrustZone技術(shù)，邊緣加密計(jì)算的安全隔離），還支持豐富的生態(tài)系統(tǒng)，幫助客戶加快開發(fā)進(jìn)程，借助基于Yocto的主流開源Linux發(fā)行版OpenSTLinux，可快速、輕松地移植應(yīng)用軟件。

STM32MP2 系列還推出 Android 發(fā)行版，提供 STM32Cube 工具集，包括 STM32CubeMX（引腳和時(shí)鐘配置、DRAM接口調(diào)整工具、基于 Arm Cortex-A35 的 Linux 和基于 Arm Cortex-M33 的 STM32Cube 固件生成代碼）、基于 GCC 的 IDE 和帶簽名工具的 STM32CubeProgrammer。

STM32MP2系列由于集成度高，封裝兼容低成本PCB技術(shù)（低至4層電鍍通孔的PTH-PCB），以及采用專用電源管理IC（PMIC），用戶可獲得最優(yōu)化的物料清單（BOM）。STM32MP2系列并擁有廣泛的第三方生態(tài)系統(tǒng)，通過合作伙伴實(shí)現(xiàn)Buildroot和OpenWRT支持，合作伙伴提供的基于STM32MP2系列的模塊上系統(tǒng)（SoM），ST的授權(quán)合作伙伴包括UI工具供應(yīng)商、安全軟件供應(yīng)商、培訓(xùn)和軟件服務(wù)。

結(jié)語(yǔ)

PLC作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組件，為各類工業(yè)應(yīng)用提供了高效、穩(wěn)定且靈活的解決方案。通過其強(qiáng)大的邏輯控制、順序控制、模擬量處理與數(shù)據(jù)通信功能，PLC不僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，還顯著提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進(jìn)，PLC將在未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與持續(xù)發(fā)展。由ST推出的高性能微處理器PLC解決方案，具有高性價(jià)比、完整的功能與效能，將是您開發(fā)PLC相關(guān)應(yīng)用的理想選擇。